第一讲碳材料

第一讲碳材料2/6/20232碳材料基础石墨及其衍生物

主要内容

新型碳材料概述炭素材料学相关概念碳与炭的区别炭素（原）材料物化性质炭素制品的特征及分类炭素材料学定义

炭素材料学发展简史何谓炭素材料

炭素材料的基础晶型态物质

自然界中的碳

炭的生成过程

炭的存在形式

物理性质

化学性质炭素制品的主要特征

炭素制品的分类

第一章1.1炭素材料学（ScienceofCarbonMaterial）相关概念1）炭素材料学定义：

研究炭素原料和炭素制品的组织结构、性质、生产工艺和使用能效，以及它们之间的关系的学科。2）炭素材料学发展简史：

19世纪：伴随着炭素制品的大规模生产的需要而逐步形成。

20世纪：各种炭素新材料不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制品的工业规模也相应扩大，逐渐形成一个独立的工业部门。原因：①导电材料和耐腐蚀的结构材料；②炭素材料的特殊性能（首先被选中作为炼铁炉的内衬及电冶炼的导电材料）1.1炭素材料学（ScienceofCarbonMaterial）相关概念3）炭素材料定义：

就是以碳元素为主体构成的材料。4）炭素材料的三大常用基础晶型态物质：金刚石石墨过渡态炭（无定型炭）

炭素材料常用晶型（焦煤）炭、炭黑、玻璃炭1.2关于碳与炭

自然界分布很广，是地球上形成化合物最多的元素

1.2.1自然界中的碳

自然界中碳的资源以两种类型存在，一种是循环性资源，即由植物和动物所代表的生物和CO2；另一种是循环速度很慢，但数量极大的堆积物，如碳酸盐矿物和有机质堆积物。原子量为12.01，原子序数为6，元素符号为C，电子分布状态为：1S22S22P2。

在水和大气中主要以CO2、碳酸和碳酸盐的形式存在——碳在自然界中存在的形式

——碳在自然界中存在的形式碳酸盐煤——碳在自然界中存在的形式天然石墨矿天然金刚石矿

——碳在自然界中存在的形式石油（碳氢化合物）天然气（碳氢化合物）

——碳在自然界中存在的形式动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素

——碳元素的特点碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳宾、碳烯），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。石墨稀富勒稀碳纳米管石墨金刚石几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。独特的电子结构原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。——碳元素构成材料的特点为什么？——全吸光、绝热和超导炭素材料热解石墨材料：具有高度的各向异性，它沿层面的导热率与铜相似，垂直于层面的绝热性与陶瓷相似，同时有较强的抗氧化、抗侵蚀、耐磨等性能。可以应用在提炼高纯金属，电子工业及现代科学上的特殊材料。美国赖斯大学的科学家制造出了世界上最黑的材料。他们用碳纳米管织出了一片毯子，仅反射0.045%的光线，这大约是以前纪录的四分之一。该材料比漆成黑色的雪佛兰Corvette跑车要黑100倍。此前最黑的材料是伦敦科学家制造的一种镍磷合金，大约反射0.16%的光线。富勒碳化物是用于电容器、装甲附甲和武器系统中的一种超导材料。1.2.2炭的生成过程

自然界中的炭，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热解反应的生成物。

（热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或分解的重合而生成最终产物的过程）炭素原料的来源非常广泛。（如：煤、石油、植物等）

煤含碳为60～90％，木材含碳约50％，石油含碳为80～90％，天然石墨含碳近100％

石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层下的动物和植物，在隔绝空气、受地球热和地层高压等条件下转化的结果。这类物质，仍然为碳氢化合物，但已经有所炭化。而无烟煤可以看作是近乎炭化后期的产物。同理，天然石墨可以认为已完全炭化，并且已经达到了石墨的程度。

含C、H、O、N、S等有机物的混合体

有机物（不管是气体、液体还是固体）只要在隔绝氧的条件下，在有热的作用下，就可以从烃类化合物中生成炭。炭化将使碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过受热分解被排除逸出。表1-l列出了各种有机物炭化生成的炭。

1.2.2炭的生成过程（续）1.2.3炭的存在形式

物质世界是由一百多种元素，以不同形态和不同化合物、混合物或单质组成。在自然界里，单质碳有三种常见的变体：金刚石、石墨及无定形炭。三种碳的同素异构体结构和性质1.2.3炭的存在形式——金刚石结构：碳原子之间以sp3方式键合，每一个碳原子与相邻的4个碳原子相连，即碳原子的配位数为4。每一个碳原子处于一个四面体的中心，与之相邻的碳原子则处于四面体的是个顶点之上。金刚石有天然和人造两类，从晶体结构看，有四方晶和六方晶之分。金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而呈淡黄色、天兰色、兰色或红色，有强烈的光泽。它的晶体外观十分规整。金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差，但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已能人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。

——人造金刚石的制备

1、千巴：压力单位，1千巴等于987大气压。2、金属触媒：石墨转化为金刚石的触媒可分为平制触媒和全金触媒两种。目前所用的单质触媒是元素周期表中第Ⅷ族元素和Mn、Ta、CY合金触媒；Ni—CY；Ni—Fe；Ni—Mn；Fe一Ai；Ni—Co；Ni—CY—Fe；Ni—CY—Mn；Co一Cu—Mn等。

1.2.3炭的存在形式——石墨结构：石墨中的碳原子是成层排列的，同一层内的每一个碳原子用3个电子跟相邻的3个碳原子以共价单键结合，键长都是142皮米（1皮米＝0.001纳米）。这些碳原子排列成平面的六角网状结构，很多碳原子组成相互平行的平面，使整个晶体构成片层结构，不同层之间的距离是335皮米。层和层之间相邻碳原子以范德华力相连。因此石墨片层之间容易滑动，石墨晶体容易裂成鳞状薄片。碳原子中的第四个电子形成比较复杂的键，所以，石墨能导电、导热。

1.2.3炭的存在形式——无定型炭（煤炭和焦炭）煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，无烟煤炭化程度较高。焦炭是烟煤(炼焦煤)或某些含炭量高的物质(如石油、沥青或渣油、煤沥青等)在高温下，基本隔绝空气加热使之焦化的产物。——煤炭和焦炭的性质差别焦炭具有一些和一般煤炭不同的理化性质，如强度大、耐磨、含炭量高，多数焦炭在2000℃以上高温处理后都能转化为石墨。各种不同品种的煤炭(或焦炭)其理化性质相差很大，这种差别与各种煤炭(或焦炭)的初始原料的种类炭化过程或热处理温度及杂物含量有直接关系。炭化程度越低(或热处理温度越低)或杂质含量越高，则煤炭(或焦炭)的导电性、导热性、化学稳定性就差。测定煤炭(或焦炭)中元素炭的含量及挥发物的含量可以间接了解各种煤炭(或焦炭)的炭化程度(或热处理温度)。煤炭和焦炭的主要成份是元素碳。实际上它们是由碳、氢、氧三种元素为主体，并以芳香烃缩合环为基本单元所构成的一种非常复杂的高分子有机化合物。煤炭中氧与氢元素的含量与炭化程度成反比。炭化程度越高，则氧与氢的含量越少，煤炭中的其它元素含量比氧与氢还要少得多。

无烟煤、石油焦、沥青焦和冶金焦，是生产各种炭制品主要原料，特别是石油焦和沥青焦是生产人造石墨的主要原料，用石油焦和沥青焦为原料生产的人造石墨，其质量比用天然石墨生产的要好得多。几种主要煤炭和焦炭的元素组成

注：上述组成为不包括灰分杂质的元素组成。

2/6/202324碳材料基础一、碳的存在

碳元素地球上丰度第14位，90％以CaCO3存在。碳纤维、石墨、金刚石、富勒烯、纳米碳管、焦炭、炭黑、活性碳等。2/6/202325一、碳的存在1、煤炭

形成：煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。

分布：全世界标准煤可开采量5万亿吨，七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各个省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。山西、陕西、河南、东北，四川也有煤炭资源。

2/6/202326一、碳的存在1、煤炭

种类：中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.56％，非炼焦煤类占72.35％。前者包括气煤（占13.75％），肥煤（占3．53％），主焦煤（占5.81％），瘦煤（占4．01％），其它为未分牌号的煤（占0．55％）；后者包括无烟煤（占10．93％），贫煤（占5．55％），弱粘煤（占1．74％），不粘煤（占13.8％），长焰煤（占12．52％），褐煤（占12．76％），天然焦（占0．19％），未分牌号的煤（占13．80％）和牌号不清的煤（占1．06％）。2/6/202327一、碳的存在1、煤炭

应用：

直接做燃料火力发电

干馏焦化厂气化液化2/6/202328一、碳的存在1、煤炭

应用：直接做燃料火力发电

2/6/202329一、碳的存在1、煤炭

应用：干馏是煤化工的重要过程之一，指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：900～1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏；500～600℃为低温干馏。

2/6/202330一、碳的存在1、煤炭

应用：干馏

2/6/202331一、碳的存在1、煤炭

应用：气化煤的气化过程是一个热化学过程，它是指在煤气发生炉内，以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧获纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程。气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分主要包括一氧化碳、氢气及甲烷等。

2/6/202332一、碳的存在1、煤炭

应用：气化

1、固定床气化技术：固定床气化也叫移动床气化炉，在气化过程中，气化床层自上而下整体移动，固体气化原料之间相对固定；它以块煤为原料，是目前世界上应用数量最多的加压煤气化工艺。

2、流化床气化技术：流化床气化也叫沸腾床气化，它的气化过程是粉煤在反应器内呈流态化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。3、气流床气化技术：气流床工艺是煤炭气化的一种重要形式，原料煤以干粉或水煤浆形态入炉，煤粉(煤浆)和气化剂经喷嘴一起并流进入气化炉，并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。气流床气化技术的代表炉型是德士古气化炉和壳牌气化炉。

4、煤炭地下气化：煤炭地下气化是通过热化学反应把地下煤层就地转化为可燃气体的过程。对保护环境和节省投资具有重要意义，但在其煤气的质量和数量及其控制上还有待提高。2/6/202333一、碳的存在1、煤炭

应用：液化

煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂），使煤与氢气作用生成液体燃料。这是把煤直接液化的一种方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如，煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。甲醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成高级汽油。

2/6/202334一、碳的存在1、煤炭

应用：液化

2004年9月13日，在内蒙伊金霍洛旗建设的神华煤直接液化项目一期工程正在施工

2/6/202335一、碳的存在2、焦炭

生产电石产生的矿渣含碳物质高温裂解后产生的矿渣硬炭（原料为含异质元素的纤维素）软炭（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）按原料分

2/6/202336一、碳的存在2、焦炭

焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。按用途分2/6/202337一、碳的存在2、焦炭

冶金气化电石人造石墨

用途2/6/202338一、碳的存在2、焦炭

冶金用途2/6/202339一、碳的存在2、焦炭

人造石墨

用途

2/6/202340一、碳的存在3、炭黑据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。

1821年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑不再是“炱”那么简单,它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质轻而极细的黑色粉末”。

1912年人们发现炭黑对橡胶具有补强作用,从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可缺少的原材料。目前世界橡胶工业原材料耗用量排在第一位的是生胶,第二位的是炭黑;换言之,炭黑已成为消费量最大的橡胶配合剂。炭黑的耗用量一般占橡胶耗用量的40%～50%,也就是说,在橡胶配方中,通常每使用2份橡胶就会搭配使用1份炭黑。

2/6/202341一、碳的存在3、炭黑

最好的黑色颜料、几乎是最廉价的颜料、着色力及遮盖力最强的颜料、视觉感官上呈中性、最稳定的颜料、耐热、耐化学腐蚀、耐光。

炭黑是仅次于钛白粉的重要颜料，全世界年消耗橡胶碳黑约六百万吨，着色和其他用途等特殊碳黑约为二十五万吨。

2/6/202342一、碳的存在4、玻璃碳玻璃碳是在惰性气氛中，将树脂、纤维素、纤维胶加热到1200℃以上碳化形成的一种新型碳，因其外形像玻璃一样光亮，故称玻璃碳(glassycarbon)，简称玻碳。玻璃碳具有气密性和导电性好、热胀系数小、质地坚硬和易于抛光成镜面、化学惰性、具有较高的氢超电位等特点，因此适用于做电化学和电分析用的工作电极材料。玻璃碳一般内部存大量的封闭孔隙。2500～3000度，可消失。无法机械加工，其形状须在加热固化前确定。2/6/202343一、碳的存在5、碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。

2/6/202344一、碳的存在6、活性碳活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、兽骨/血活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶/塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外观形态可分为：粉状、颗粒状、不规则颗粒状、圆柱形、球形和纤维状等。活性炭的应用极其广泛，其用途几乎涉及所有的国民经济部门和人们日常生活，如水质净化、黄金提取、糖液脱色、药品针剂提炼、血液净化、空气净化、人体安全防护等。

下一页2/6/202345一、碳的存在2/6/202346一、碳的存在

南方网讯2002年5月26日晚7时，两名少年当日傍晚在村里发现了一个废弃的电石灯，两人将电石装进电石灯厚厚的铁壳里，然后又注入了水，没想到突然一声巨响，电石灯被炸得粉碎，一少年当场被炸死，另一少年被炸成重伤，目前仍在医院抢救。据了解，电石灯发生爆炸是由于他们装的电石太多，又加入太多的水，电石遇水急剧膨胀，最终导致爆炸。

反回2/6/202347一、碳的存在7、金刚石用途：1：当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上，在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。2：磨具3:割具4：饰品2/6/202348一、碳的存在7、金刚石性质及鉴别：1、钻石的单折光性

钻石的单折光性，是由于钻石的本质特性决定的。而其它天然宝石或人造宝石大都是双折光性的。冒充的钻石在10倍放大镜观察下，从正面稍斜的角度看，很容易看出棱角线出现重叠影像，并同时呈现出两个底光。2、钻石的吸附性

石对油脂及污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸附。因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感觉。这是任何宝石所没有的。这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别。2/6/202349一、碳的存在7、金刚石性质及鉴别：3、一线直落的特征钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过，若是真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直落。仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借助放大镜。

4、特有的金刚光泽

大致在100度的白炽灯光下，切磨很好的钻石与仿冒品相互比较，很容易看出哪个具有金刚光泽。此方法不宜在过暗或过强的灯光下是进行。2/6/202350一、碳的存在8、富勒烯和纳米碳管7.5碳纳米管7.2金刚石7.1概述7.3石墨7.4C60有人预言，21世纪是“超碳时代”。

金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及碳纳米管的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。

IBM表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路的器件。该技术有望加快下一代芯片产品的面世。美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温度下(117K)制造出了电阻为零的有机超导体。7.1概述在学术界，一般认为碳的同素异形体包括：金刚石、石墨、碳笼原子簇和碳纳米管。石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨。金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂化轨道成键(3条键)；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915)；表碳的同素异形体的结构及物性参数7.2金刚石金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，它的熔点高。金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工业、半导体工业及化学工业。天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重要研究开发领域。金刚石的合成金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可分为两类：石墨转化法和气相合成法常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但在高温高压(由疏松到致密)下可能实现这种转化，其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。★石墨转化法石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。静态超高压高温法用高压设备压缩传压介质产生3～10GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备技术要求高。

为了获得粒度较大的优质金刚石单晶，普遍采用过渡金属(Ni，Fe，Co等)及其合金作触媒，保持约5GPa的压力、1500K的温度到一定的时间，使石墨转化金刚石。要获得优质粗粒的金刚石单晶，一般用石墨片与触媒片交替组装的方式。动态法利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉末，使用时往往需烧结。此外，产品中还含有未反应的石墨、催化剂等杂质，因此还需提纯。这种产品主要用于精密机械制造领域。★气相合成法(CVD法)

气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上的金刚石薄膜。气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石的应用范围大大扩展，因为高温高压合成的金刚石及天然金刚石的应用只是利用其高硬度特性，其他优异的特性均因形态的限制而未能得到很好的开发和利用。膜状金刚石必然会进入半导体工业、电子工业及光学等领域。国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.)刊发了中国科技大学陈乾旺教授领导的研究组的论文“低温还原二氧化碳(CO2)合成金刚石”。他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440℃和800个大气压的条件下，经过12小时的化学反应，终于成功地将CO2还原成了金刚石。能生长出1.2毫米的金刚石，有望达到宝石级，产物外观无色、透明，可与天然金刚石媲美。此法CO2转化金刚石的产率达8.9%，工艺重复性好。7.3石墨石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C原子采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连接在一起，同时在同一层上还有一个大键。石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。7.4富勒烯

1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto等人用激光作石墨的气化试验发现了C60，这是一种由60个碳原子组成的稳定原子簇。此后又发现了C50、C70、C240乃至C540等，它们都具有空心的球形结构，属于笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师BuckminsterFuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、笼碳等名称。C60是20世纪的重大科学发现之一。Kroto等人因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。富勒烯的结构特点

以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元环和六元环而构成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体，像一个足球。每个五边形均被5个六边形包围,而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。C60的合成1985年以激光气化石墨法只能制取几毫克的C60，不足以开展大量的研究。直到1990年，C60的合成才取得突破。目前C60的合成法主要可分为以下两种：★石墨气化法

电弧放电法气化石墨，每小时可气化10g，产物是一种黑色粉末，是C60和C70的混合物。用升华法、色谱法等可得到纯的C60和C70。★纯碳燃烧法在573～673K真空中加热特制的炭黑，收集蒸气凝结成的固体，制得C60和C70。富勒烯的应用前景

从化学和材料科学的角度来看，富勒烯具有重要的学术意义和应用前景，其中最早令人关注的是金属掺杂富勒烯的超导性。由于室温下富勒烯是分子晶体，C60的能带结构表明是半导体，能隙为1.5eV。但经过适当的金属掺杂后，都能变成超导体。掺杂富勒烯超导体有两个特点：一是与一维有机超导体和三维氧化物超导体不同，掺杂富勒烯超导体是各向同性非金属三维超导体；二是超导临界温度Tc比金属超导体高，如掺杂I的IxC60的Tc已达57K。光学性质

C60具有非线性光学性质，随着光强不同，它对入射光的折射方向也发生改变。C70能把普通光转化成强偏振光，因此C70有可能用作三维光学电脑开关，可能用于光纤通讯。医学领域某些水溶性C60衍生物具有生物活性。二氨基二酸二苯基C60具有抑制人体免疫缺损病毒酶HIVP的功效，因此有可能从富勒烯衍生物中开发出一种治疗艾滋病的新药。此外C60能承受20Gpa的静压，可用于承受巨大压力的火箭助推器；C60的球形结构，可望成为超级润滑剂；根据C60的磁性和光学性质，C60有可能作光电子计算机信息存储的元器件材料。总之，富勒烯的应用前景十分诱人，但要获得广泛的应用还有许多问题需要解决。例如，富勒烯及其衍生物的合成必须有新的突破，因为目前成功的合成法所得的富勒烯成本是很高的，很大程度地限制了其应用的研究开发。1991年1月由日本NEC公司的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现碳纳米管。科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料，纳米电子器件材料和新一代平板显示材料。7.5纳米碳管

碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米(最小为1纳米左右)到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心圆柱状的长“笼子”。碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达一百微米。碳纳米管的结构

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，两端由富勒烯半球封帽而成。碳纳米管的实际结构比理想模型复杂得多，它是由理想同心石墨片圆柱形结构，而很多是卷曲石墨结构，结构中存在大量位错，而且横截面是多边椭圆形。旋转的碳纳米管分子示意图。小圆球代表碳原子，它们之间的长条形连接物代表化学键。１、按石墨层数分类根据组成碳纳米管管壁中碳原子层的数目，碳纳米管可被分为单壁碳管和多壁碳管。碳纳米管的分类

２、按手性分类根据手性分类，碳纳米管可分为非手性型管（对称）和手性型管（不对称）。对于非手性碳纳米管，其结构可以经过一定的对称操作而重合。非手性型管可分为：扶手椅型管和锯齿型管。３、按导电性能分类按照碳纳米管的导电性能，可分为导体性管和半导体性管。单壁碳纳米管的导电性能介于导体和半导体之间，其导电性能取决于碳纳米管的直径和螺旋角。４、按排列状况分类按照碳纳米管的排列状况分类，碳纳米管可分为定向的和无序的碳纳米管。由于碳纳米管长径比很大，而且具有良好的柔韧性，使得制备出来的碳纳米管易于发生弯曲而相互缠绕，影响碳纳米管的性能。获得大面积的、定向排列的多壁碳纳米管，甚至是定向排列的单壁碳纳米管阵列具有重要的意义。从1992年起，中国科学院物理所解思深研究员开始利用放电法和化学方法制备碳纳米管。1995年发明了一种在孔内含有纳米催化剂颗粒的、多孔的二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管的方法（已获中国发明专利），制备出大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管。管径均匀为20纳米，管间距为100纳米，管长约为100微米。

这一研究工作，于1996年在“Science”上发表。碳纳米管的性能特殊的电学性质

碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，因此碳纳米管具有优良的导电性能。根据卷曲情况的不同，碳纳米管的电学特性可表现为金属型或半导体型。

超高的力学性能

碳纳米管是由自然界最强的价键之一，sp2杂化形成的C＝C共价键组成，因此碳纳米管是所有已知最结实、刚度最高的材料之一。它弹性模量大于1TPa，能承受大于40%的张力应变而不会呈现脆性行为、塑性变形或键断裂热学性质

碳纳米管与石墨、金刚石一样，都是良好的热导体。其热学性能不仅与组成它的石墨片本质有关，而且与其独特的结构和尺寸有关。光学性质超导性质磁学性质．．．．．．碳纳米管的制备目前，人们可以用电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法来大量制备碳纳米管。

电弧法是最早的制备碳纳米管的方法，工艺比较简单。它是在真空反应器中充以一定压力的惰性气体或氢气，采用较粗大的石墨棒为阴极、细石墨棒为阳极，在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。电弧放电法催化剂的种类、配比，电流大小、不同气氛等，可以制备出单壁、双壁和多壁碳纳米管。